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1、声音多普勒效应辨析声音多普勒效应辨析河北 保定 河北大学（2012 6 7 制作）王 绍 符新概念基础物理新概念基础物理一、似是而非一、似是而非 引发困惑引发困惑 声源不动,介质（空气）静止，观察者以速度v向着声源运动.式中 f 和 f，分别代表观察者感受到的频率和声源的振动频率.声音在介质中的传播速度为.“观察者向着声源运动观察者向着声源运动”，观察者听到的声音频率是 观察者不动,介质（空气）静止，声源以速度u向着观察者运动.在这种情况“声声源源向向着着观观察察者者运运动动”和上述“观观察察者者向向着着声声源源运运动动”似乎应当是等等效效的的相相对对运运动动，只不过前者相对速度为+v，而后者
2、相对速度为+u.如此说来，仿照上面的计算式，观察者感受到的声音频率应当是 然而，这是错误的这是错误的，正确的是 观察者不动,介质（空气）静止，声源以速度u向着观察者运动.在这种情况“声声源源向向着着观观察察者者运运动动”和上述“观观察察者者向向着着声声源源运运动动”似乎应当是等等效效的的相相对对运运动动，只不过前者相对速度为+v，而后者相对速度为+u.如此说来，仿照上面的计算式，观察者感受到的声音频率应当是 然而，这是错误的，正确的是 问题何在？问题何在？一、探本求源一、探本求源 辨析真相辨析真相 需要澄清的几个问题需要澄清的几个问题 1.声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？声音是什么，
3、是声源的振动还是介质中的声波？需要澄清的几个问题需要澄清的几个问题 1.声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？2.观察者感受到的声音频率（音调）是否就是声源的观察者感受到的声音频率（音调）是否就是声源的频率或声波的频率？频率或声波的频率？需要澄清的几个问题需要澄清的几个问题 1.声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？2.观察者感受到的声音频率是否等于声源的频率或声观察者感受到的声音频率是否等于声源的频率或声波的频率？波的频率？3.声音的传播速度是否与声源的运动速度叠加？声音的传播速度是否与声源的运动速度
4、叠加？4.引起多普勒效应的根源是观察者与声源之间发生相引起多普勒效应的根源是观察者与声源之间发生相对运动？还观察者与介质（声波），或声源与介质（声对运动？还观察者与介质（声波），或声源与介质（声波）之间发生相对运动？波）之间发生相对运动？需要澄清的几个问题需要澄清的几个问题 1.声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？声音是什么，是声源的振动还是介质中的声波？2.观察者感受到的声音频率是否等于声源的频率或声观察者感受到的声音频率是否等于声源的频率或声波的频率？波的频率？3.声音的传播速度是否与声源的运动速度叠加？声音的传播速度是否与声源的运动速度叠加？1.声音是人对声波的主观感受，它的客观实
5、质是声音是人对声波的主观感受，它的客观实质是一定频率的机械波一定频率的机械波.声声音音是人（还有其他动物，以及少数植物）的主观感受，它的客观实质不是声源的振动，而是一定频率范围的机械波，也就是我们常说的可闻声波.声音现象不仅仅是物理过程，它还包括生理甚至心理过程.观察者感受到的（包括仪器接收到的）频率，在不同条件下可能不同于物体（声源）的振动频率，也可能不同于介质中传播的机械波（声波）的频率.音调音调是人对声音高低的主观感受，它的实质是人耳感受到的，声波刺激听觉系统的频率高低声波刺激听觉系统的频率高低.2.观察者感受到的频率可能不同于观察者感受到的频率可能不同于 声源的频率或声波的频率声源的频
6、率或声波的频率 声音的传播速度是介质中机械波（声波）的运动速度，其大小由介质（介质的种类、温度、压力以及运动状态等）决定.声音的传播速度与声波频率 f,波长的关系为 就是说，在确定的介质中声速不变，而波长与频率成反比.3.声音的传播速度与声源无关声音的传播速度与声源无关 声波与声源的运动速度不相叠加声波与声源的运动速度不相叠加.也就是说并不存在“声源带着声波走”的问题，事实上声波的运动速度与声源无关.这与我们常讨论的相对运动，例如，在行进的列车上人的运动速度要与列车的运动速度相叠加不同.人车的例子是物体的运动，而机械波是波形的迁移，属于连续介质问题，二者不可混为一谈.声声源源的的振振动动并并不
7、不是是声声音音，声声音音是是介介质质中中的的机机械械波波.声声源源所所起起的的作作用用是是激激起起声声波波，但但声声波波存存在在于于介介质质中中，声声波的载体是介质而不是声源，声波并不随声源一起运动波的载体是介质而不是声源，声波并不随声源一起运动.这就像在静止的湖面上驾驶一条小船，当用桨击打水面时，在水面上会激起一系列水波.而水波存在于水中，水波的载体是水而不是船或桨，水波的传播速度由水来决定，而与船或浆无关.4.多普勒效应是由于多普勒效应是由于观察者或声源观察者或声源与介质（声波）与介质（声波）之间发生相对运动引起的之间发生相对运动引起的.声波的载体是介质而不是声源；声波存在于介质中而不在声
8、源上.多多普普勒勒效效应应的的发发生生是是由由于于观观察察者者与与介介质质（声声波波）之之间间，或或声声源源与与介介质质（声声波波）之之间间发发生生了了相相对对运运动动的的缘缘故故，而不是由于观察者与声源之间发生相对运动引起的.问题何在？就在这里！问题何在？就在这里！二、分析过程二、分析过程 理顺关系理顺关系图图1声源不动声源不动,介质静止，观察者以速度介质静止，观察者以速度v向着向着声源运动声源运动 图1所示为声源不动,介质静止，观察者以速度v向着声源运动的声波图形.问题就在这里问题就在这里观察者向着声源运动观察者向着声源运动图图1声源不动声源不动,介质静止，观察者以速度介质静止，观察者以速
9、度v向着向着声源运动声源运动 图1所示为声源不动,介质静止，观察者以速度v向着声源运动的声波图形.声源对介质没有相对运动，介质中声波波长为，声波在介质中传播速度为.则可知在介质中此声波的频率为问题就在这里问题就在这里观察者向着声源运动观察者向着声源运动 而在观察者以速度v向着声源运动的情况下，虽然介质中声波的波形没有变化，波长也没有变化，但是观察者对介质（声波）发生了相对运动，因而人人耳耳感感受受到到的的声声波波的的传传播播速速度度（相对速度）变成了+v，所以人耳感受到的频率为以上两式相比可得 此例中给出的条件是观察者向声源运动，v 0，f f，观察者感受的频率增加，听到的音音调调升升高高；如
10、果观察者远离声源运动，v 0，f u，f f，观察者感受的频率增加，听到的音调升高；如果声源远离观察者而去时，u 取负值，f ）,向着观察者而来时，观察者接收到的声音会出现时间反演现象，即较晚从声源发出的声音反而比较早地先到达观察者.（请看附录）（请看附录）声源向着观察者运动声源向着观察者运动在特殊情况下，u=或 u ，则计算式不再成立.四、归纳概括四、归纳概括 综合表述综合表述 如果介质静止，声源以速度u，观察者以速度v相向运动，参考以上分析则可得到即 当声源、介质、观察者三者都运动，且介质速度为w，方向由声源指向观察者时，则有 此式为综合表达式，依据不同的条件从此式可导出以上各计算式.各式
11、的中“+”“-”符号均为运算符号，不表示速度方向；各速度均为对地的速度，其方向均为文中给出的方向；如果声源、介质、观察者三者各自速度的方向并不都在声源与观察者的连线上，则对上述各式中的各个速度应理解为沿连线方向的分量，如反向则应取负值.附录附录激波激波 音障音障 声爆声爆 当声源（如航空器）达到声速时，将会追上自身发出的声波.声波在介质中堆积，形成激波激波，对航空器的运行造成障碍，称为音障音障.声源（如航空器）达到声速时在其前方的观察者听不到声音.过后传到观察者的激波有如爆炸一般，称为音音爆爆或声声爆爆.强烈的音爆会造成建筑物的破坏.附录附录激波激波 音障音障 声爆声爆 当声源（如航空器）达到
12、声速时，将会追上自身发出的声波.声波在介质中堆积，形成激波激波，对航空器的运行造成障碍，称为音障音障.声源（如航空器）达到声速时在其前方的观察者听不到声音.过后传到观察者的激波有如爆炸一般，称为音音爆爆或声声爆爆.强烈的音爆会造成建筑物的破坏.当声源（如航空器）的速度达到声速时，周边的空气因声波堆积而呈现高压状态形成音障.但是，一旦声源（如航空器）穿越音障，压力将会陡降，造成空气绝热膨胀，瞬间降温可低于露点，使得水汽凝结成微小水珠，肉眼看来就像是云雾一般.这个低压随着向周边延伸逐渐缓解，直至恢复正常.整体看来犹如向四周扩散的圆锥状云团圆锥状云团，如图所示.穿越音障压力骤降绝热膨胀水汽雾化穿越音障压力骤降绝热膨胀水汽雾化THE END2012-6-7 于河北大学